Representación de un artista de Kepler-186f, un exoplaneta del tamaño de la Tierra, que muestra una superficie hipotética que incluye una cobertura parcial de hielo en los polos. Crédito:NASA Ames/Instituto SETI/JPL-Caltech
Los exoplanetas están experimentando un ascenso estratosférico. En las tres décadas desde que se confirmó el primer planeta que orbita alrededor de otra estrella, los científicos han catalogado más de 4.000 de ellos. A medida que crece la lista, también lo hace el deseo de encontrar exoplanetas similares a la Tierra y determinar si podrían ser oasis de vida como nuestro propio globo.
Las próximas décadas deberían ver el lanzamiento de nuevas misiones que pueden recopilar cantidades cada vez mayores de datos sobre exoplanetas. Anticipándose a estos esfuerzos futuros, un equipo de la Universidad de Washington y la Universidad de Berna ha simulado computacionalmente más de 200 000 mundos hipotéticos similares a la Tierra, planetas que tienen el mismo tamaño, masa, composición atmosférica y geografía que la Tierra moderna, todos en órbita de estrellas como nuestro sol. Su objetivo era modelar qué tipos de entornos pueden esperar encontrar los astrónomos en exoplanetas reales similares a la Tierra.
Como informan en un artículo aceptado en el Planetary Science Journal y enviado el 6 de diciembre al sitio de preimpresión arXiv, en estos exoplanetas simulados, a menudo faltaba una característica común de la Tierra actual:una cobertura parcial de hielo.
"Esencialmente, simulamos el clima de la Tierra en mundos alrededor de diferentes tipos de estrellas, y encontramos que en el 90% de los casos con agua líquida en la superficie, no hay capas de hielo, como los casquetes polares", dijo el coautor Rory Barnes, un UW. profesor de astronomía y científico del Laboratorio Planetario Virtual de la UW. "Cuando hay hielo, vemos que los cinturones de hielo (hielo permanente a lo largo del ecuador) son en realidad más probables que los casquetes polares".
Los hallazgos arrojan luz sobre la compleja interacción entre el agua líquida y el hielo en mundos similares a la Tierra, según la autora principal Caitlyn Wilhelm, quien dirigió el estudio como estudiante de pregrado en el Departamento de Astronomía de la UW.
"Observar la cobertura de hielo en un planeta similar a la Tierra puede decir mucho sobre si es habitable", dijo Wilhelm, quien ahora es científico investigador en el Laboratorio Planetario Virtual. "Queríamos comprender todos los parámetros (la forma de la órbita, la inclinación axial, el tipo de estrella) que afectan si hay hielo en la superficie y, de ser así, dónde".
Una imagen compuesta de la capa de hielo que cubre la región ártica de la Tierra, incluido el Polo Norte, tomada a 512 millas sobre nuestro planeta el 12 de abril de 2018 por el satélite de órbita polar NOAA-20. Crédito:NOAA
El equipo utilizó un modelo de balance de energía 1-D, que imita computacionalmente el flujo de energía entre el ecuador y los polos de un planeta, para simular los climas en miles de exoplanetas hipotéticos en varias configuraciones orbitales alrededor de estrellas tipo F, G o K. Estas clases de estrellas, que incluyen nuestro propio sol tipo G, son candidatas prometedoras para albergar mundos favorables a la vida en sus zonas habitables, también conocidas como la zona "Ricitos de oro". Las estrellas de tipo F son un poco más calientes y más grandes que nuestro sol; Las estrellas de tipo K son un poco más frías y pequeñas.
En sus simulaciones, las órbitas de los exoplanetas iban desde circulares hasta un óvalo pronunciado. El equipo también consideró inclinaciones axiales de 0 a 90 grados. La inclinación axial de la Tierra es de unos moderados 23,5 grados. Un planeta con una inclinación de 90 grados se "sentaría de costado" y experimentaría variaciones estacionales extremas en el clima, al igual que el planeta Urano.
De acuerdo con las simulaciones, que abarcaron un período de tiempo de 1 millón de años en cada mundo, los mundos similares a la Tierra mostraron climas que iban desde climas de "bola de nieve" en todo el planeta, con hielo presente en todas las latitudes, hasta un humeante "invernadero húmedo", que es probablemente similar al clima de Venus antes de que un efecto invernadero fuera de control hiciera que su superficie se calentara lo suficiente como para derretir el plomo. Pero a pesar de que la mayoría de los entornos en las simulaciones se encontraban en algún lugar entre esos extremos, el hielo superficial parcial estaba presente en solo alrededor del 10% de los hipotéticos exoplanetas habitables.
El modelo incluía variaciones naturales a lo largo del tiempo en la inclinación axial y la órbita de cada mundo, lo que explica en parte la falta general de hielo en los exoplanetas habitables, según el coautor Russell Deitrick, científico postdoctoral de la Universidad de Berna e investigador del Virtual Planetary. Laboratorio.
"Las órbitas y las inclinaciones axiales siempre están cambiando", dijo Deitrick. "En la Tierra, estas variaciones se denominan ciclos de Milankovitch y tienen una amplitud muy pequeña. Pero para los exoplanetas, estos cambios pueden ser bastante grandes, lo que puede eliminar el hielo por completo o desencadenar estados de 'bola de nieve'".
Cuando había hielo parcial, su distribución variaba según la estrella. Alrededor de las estrellas de tipo F, los casquetes polares de hielo, como los deportes terrestres actuales, se encontraron aproximadamente tres veces más que los cinturones de hielo, mientras que los cinturones de hielo ocurrieron con el doble de frecuencia que los casquetes de los planetas alrededor de las estrellas de tipo G y K. Los cinturones de hielo también eran más comunes en mundos con inclinaciones axiales extremas, probablemente porque los extremos estacionales mantienen los climas polares más volátiles que las regiones ecuatoriales, según Wilhelm.
Representación de un artista de la Tierra antigua en un estado de bola de nieve. Crédito:NASA
Los hallazgos del equipo sobre el hielo en estos mundos similares a la Tierra simulados deberían ayudar en la búsqueda de mundos potencialmente habitables al mostrar a los astrónomos lo que pueden esperar encontrar, especialmente en lo que respecta a la distribución del hielo y los tipos de climas.
"El hielo de la superficie es muy reflectante y puede dar forma a cómo 'se ve' un exoplaneta a través de nuestros instrumentos", dijo Wilhelm. "La presencia o ausencia de hielo también puede determinar cómo cambiará el clima a largo plazo, ya sea que llegue a un extremo, como una 'Tierra bola de nieve' o un invernadero fuera de control, o algo más moderado".
Sin embargo, el hielo por sí solo, o su ausencia, no determina la habitabilidad.
"Habitability encompasses a lot of moving parts, not just the presence or absence of ice," said Wilhelm.
Life on Earth has survived snowball periods, as well as hundreds of millions of ice-free years, according to Barnes.
"Our own planet has seen some of these extremes in its own history," said Barnes. "We hope this study lays the groundwork for upcoming missions to look for habitable signatures in exoplanet atmospheres—and to even image exoplanets directly—by showing what's possible, what's common and what's rare."
